纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响.pdf

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1、万方数据第36卷增刊l2007年8月稀有金属材料与工程RAREMETALM^TERLALSANDENGINEERINGvoI．36，Suppl．IAug岫t2007纳米粉及添加剂对压电陶瓷材料性能的影响蔡海荣，易晓星，潘潮，张建敏(中西科学院声学研究所，北京100080)摘要；采用高能球磨法研磨出PzT．5纳米粉料。添加外购的纳米有机添加剂，按照传统的固相工艺法制备出了压电陶瓷材料，研究分析纳米粉料和纳米有机添加剂对压电陶瓷性能的影响。通过测试分析可以看出．纳米压电粉料与纳米有机添加剂的综合作用，降低了材料的烧结温度

2、、相对介电常数帛0。值和幽1，提高了压电应变常数如-从而压电电压常数窖小岛、吨成倍提高，这些对制作宽带，高灵敏度的换能器是根有好处的。关键词：纳米粉料；有机添加剂；压电陶瓷中图法分类号：粥146．4文献标识码：A文章编号；1002—185x(2007)s1．0491-031引言从20世纪50年代发展起来的PzT陶瓷，以其较宽的工作温度范围和优良的机电转换效率在半个世纪以来成为水声换能器的首选材料，普遍用于声探测系统：20世纪70年代以后．更多更新的压电材料被陆续研究和开发出来，如聚偏二氟乙烯(PvDF)高分子压电薄膜

3、材料、压电复合材料、稀土超磁致伸缩材料(TeffenoI．D)、新型弛豫铁电单晶材料(PMNT、PzNT)。20世纪90年代以后，高科技置备技术以及检测分析手段的不断完善，为纳米材料的研究与发展奠定了有利基础，20世纪末世界各国的材料学家开始探索新的铁电材料，并且将纳米概念引入压电材料的研究，使压电材料这一功能性材料的研究与发展面临着一个重大的突破。体现在材料性能上的变化，则是机械性能、压电性能、介电性能等得到了明显的改善．这无疑会对换能器性能的提高，产生积极的影响。目前功能性压电材料研究中采用纳米概念的主要做法是针

4、对提高压电材料的某些性能，在压电材料中添加不同的纳米颗粒而形成纳米复相和用压电纳米粉料或纳米晶粒与聚合物通过特殊手段制成纳米复合材料2种方法【14】。例如，清华大学材料系为提高铁电陶瓷材料的饱和极化强度与剩余极化强度，添加Ag纳米颗粒制备成“金属纳米颗粒，铁电陶瓷基的纳米复相铁电陶瓷”；国外HwangJ．H等⋯制成了A1203，PzT、zr02，PzT等纳米复相铁电陶瓷以减小原铁电陶瓷材料的南。和增加断裂韧性；西安交通大学将纳米压电材料与聚合物一起复合而得到纳米压电复合材料。本工作是将纳米压电粉末和纳米有机添加剂复合

5、而制备成压电陶瓷，进而研究其压电性能和介电性能的变化。2实验方法及结果讨论首先采用西安交通大学的高能球磨机，将预烧好的PzT_5型压电粉料制各成平均粒径为loonm的压电粉料(其透射电镜形貌和粒度分布见图l和图2)。再用外购的粒径小于100m的添加剂(其透射电镜形貌见图3)，按照一定的添加比例与PzT-5型纳米压电粉料进行均匀混台，分别尝试了3种成型、烧结方法。所制各的陶瓷材料的压电和介电性能如幽，而．值由声学研究所自行研制的准静态击3协t测量仪测量，相对介电常数s73一岛、机械品质因数Q。、频率等由惠普(Hp)41

6、92A阻抗分析仪测量、计算。图l纳米压电粉料的透射电镜形貌Fig．1TEMmicmg珀phofn蛐。一pi龆oelec埘。Powd郴2．1用固相法工艺制备压电陶瓷众所周知，随着粉料的细化，压电陶瓷的烧结温度会降低，而压电常数如会随之增加。从表l的性能对比来看，NM40样品的压电性能比NM20的要高一收稿日期；2007-02．t0作者茼介：蔡海荣，女。中国科学院声学研究所，北京lOO吣o，仉O·6255“70，E-mail：髓岫。吼越1．∞m万方数据·492·稀有金属材料与工程第36卷些．而相对介电常数，，，恼下降得更

7、多，可以根据换能器的具体使用要求而有所选择。图2PzT5纳米粉末粒度分布图体积Fig．2PanicIesdis喇buti咖ofnano．powde髓图3纳米有机添加荆的透射电镜照片Fig．3TEMmicro卿hofn如omete¨dditive裹1材料的压电性能和介电性能对比ThblelComparbonofpie列训ectrjcnnddkIectric皂竺e!翌!塑!!!塑!!巴唑!PropenlesNM20NM40PZT．5西)／pc‘N1525565480毋“mV。m)’N‘558l27一，3，日9557001

8、750gh，(mV。m)‘N146734．6画／pC‘M‘43951280曲I“mV‘m)‘N1-43-26．5-2007¨℃320Q。9枷7肌85，√℃12201260Ⅳt一700—0000pM12～17~3l一般采用常规方法制各的PzT．5型压电粉料缅粒度为500~3000nm，烧结温度在1260℃左右，样品的压电应变常数函3值在480pc